クリーンエネルギーとして増大する水素の役割

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より多くの産業や政府がその目標に向けたプロジェクトに投資するにつれて、クリーンで安全なエネルギーの世界的な探索において重要な役割を果たす水素の可能性が勢いを増しています。 気候変動への懸念から、政策立案者だけでなく投資家も積極的な炭素削減を推進しています。 水素はこれまでクリーンなエネルギー源として注目を集めてきましたが、脱炭素化目標と技術の向上によって加速される現在の勢いは、その可能性を実現するためのより大きな期待を示しています。

燃料としての水素には、燃焼時に二酸化炭素を生成しないという利点があります。 しかし、現在、世界の水素供給の大部分は化石燃料から生産されており、主に石油精製および肥料産業で工業的に使用されています。 国際エネルギー機関 (IEA; 水素の将来: 今日の機会をつかむ、2019 年 6 月、www.iea.org) によると、水素の生産により年間約 8 億 3,000 万トンの CO2 が排出されます。 しかし、電気分解によって水から「グリーン」水素を生成するプロジェクトが急増している。

水の電気分解で製造される水素は水素と酸素のみを生成するため、温室効果ガスの排出に寄与しません。 風力や太陽エネルギーなどの再生可能エネルギー源を使用して水素を生成することができるため、水素はこれらの資源からの変動する出力を貯蔵するための魅力的な選択肢となります。 IEAの報告書によると、「クリーンで安全、手頃な価格のエネルギーの未来において重要な役割を果たす水素の可能性を活用するのにふさわしい時期が来た」とのこと。

次の 2 つの記事では、産業利用だけでなく次世代燃料としての「グリーン」水素の生産の推進を中心とした活動の一部を検討します。 最初の記事では電解槽技術に焦点を当て、2 番目の記事では水素製造や輸送での利用などに関する活動のスナップショットを提供します。

- Dorothy Lozowski 氏、化学工学および電力担当編集ディレクター

図 1. 電解槽メーカーは世界的な需要の増大に対応するために生産能力を拡大しています

図 1. 電解槽メーカーは世界的な需要の増大に対応するために生産能力を拡大しています

技術的および経済的進歩により、水素は多くの業界で持続可能性戦略の最前線に浮上しており、エンドユーザーは CO2 排出量の大幅な削減、または完全な排出の可能性を利用することを望んでいます。

今日の水素を取り巻く活動の多くには、電流を流して水分子を水素と酸素に分解するモジュール式処理装置である電解槽が関係しています。 風力や太陽光発電などの再生可能電源を利用すると、電解槽は排出物のない、つまり「グリーン」な H2 を生成します。

近年、グリーン H2 の世界的な需要に応えるために、電解槽の生産が大幅に増加しています。 2020 年 6 月、ティッセンクルップ インダストリアル ソリューションズ AG (ドイツ、エッセン、www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com) は、De Nora SpA (イタリア、ミラノ、www.denora.com) と提携して、電解槽ユニットの製造能力を拡大しました (図1）。 ティッセンクルップ社のエネルギー貯蔵および水素部門責任者であるクリストフ・ノエレス氏は、「現在、年間生産能力1ギガワットの電解プラントを建設する能力を備えており、生産能力をさらに拡大する予定です」と説明する。 これらの電解槽は、プレハブ式のスキッドマウント モジュールとして提供され (図 2)、これらを組み合わせて生産能力を簡単にスケールアップできます。 ノエレズ氏は、電解槽の能力を拡大することは、グリーン H2 の大規模生産だけでなく、その後のアンモニアやメタノールなどの持続可能な化学物質の製造においても、経済的に有望なバリュー チェーンの実現に役立つと述べています。 「グリーン H2 は、温室効果ガスの中立性とクローズドループ経済の確立を達成する上で中心的な役割を果たすでしょう」とノエレス氏は付け加えます。 ティッセンクルップは今後、power-to-x アプリケーションに有利な条件を持つ地域に開発プロジェクトを集中させます。 同社は今年初め、自社の電解プラントがE.ONの仮想発電所を介してドイツの電力市場に接続できるようになり、電力網を安定させるための大規模なバッファとして効果的に機能すると発表した。 この野心的なマイルストーンでは、電解装置は、送電事業者の系統コードに詳述されているいくつかの負荷変化認定基準を満たす必要があり、エネルギー平衡市場に参加するのに十分な応答速度と柔軟性を備えていることが証明されました。

市場には、アルカリ電解槽と陽子交換膜 (PEM) という 2 つの主なタイプの電解槽があります。 その他の新しい電解技術としては、主にまだ開発段階にありますが、陰イオン交換膜 (AEM)、固体酸化物電解セル (SOEC)、光電気化学 (PEC) による水分解などがあります。 アルカリ電解槽では、水は苛性電解質溶液 (多くの場合水酸化カリウム (KOH)) の存在下でその成分に分解されます。 PEM 電解槽における水の分解反応では、高分子膜に塗布された触媒から電解質が収集されます。

アルカリ電解はより確立された技術であり、一般にアルカリ電解槽の方が手頃な価格ですが、PEM 電解槽は電力の変化に対するより迅速な応答によって付加価値をもたらします。 さらに、PEM は、生成される H2 と O2 の間に膜が物理的な障壁を提供するため、より安全な選択肢とみなされます。

図 2. モジュール式の性質により、電解槽は大小両方の設置に適しています

図 2. モジュール式の性質により、電解槽は大小両方の設置に適しています

電解槽は新しいものではありませんが、最近の開発作業と業界の傾向により、水蒸気メタン改質 (SMR) による天然ガスからの従来の H2 生成と比較すると、電解槽ははるかに魅力的になっています、と企業事業開発および戦略担当上級副社長の David Bow 氏は述べています。 Nel Hydrogen (コネチカット州ウォーリングフォード、www.nelhydrogen.com)。 「電解槽業界は、過去 2 ～ 3 年で資本コストを 75% も削減しました。これは主に、より大規模なシステムに対する市場のニーズと、システムの設計と製造における革新によって推進されています。」と Bow 氏は説明します。 低コストの再生可能エネルギーの普及も、企業や政府の持続可能性目標を達成するというプレッシャーと並んで、大きな原動力となっています。 「SMR は、生成される H2 1 トンあたり 10 ～ 12 トンの CO2 を生成します。現在、低コストの再生可能電力を供給して、CO2 排出量ゼロのグリーン H2 を製造できます」とボウ氏は述べています。 電解装置プロバイダーの主な目標は、「化石パリティ」を達成することです。つまり、電解装置は、天然ガス (「灰色の」水素) を使用した SMR を使用するのと同じ価格で緑色の H2 を生成できます。

図 4. AEM 電解装置は、現在市場で主流の技術であるアルカリ電解装置と PEM 電解装置の利点を組み合わせる準備ができています。

図 4. AEM 電解装置は、現在市場で主流の技術であるアルカリ電解装置と PEM 電解装置の利点を組み合わせる準備ができています。

大幅なコスト削減を達成した後、Nel は現在、PEM 触媒中の貴金属 (白金やイリジウムなど) の量を減らす取り組みや、アルカリ システム用の電極技術の進歩など、電解槽の効率と性能の向上に開発努力に重点を置いています。

SMR と電解装置の経済性を比較する場合、地理は重要な要素です。 SMR ユニット用の天然ガス原料が不足している一部の地域では、天然ガスを輸送する必要があります。 または H2 はチューブトレーラーで輸送されるか、タンクローリーで液体の状態で輸送されますが、これは非常に非効率で CO2 を大量に消費します。 「H2 は非常に軽い分子であるため、フルチューブのトレーラー トラックでは約 350 kg しか運ぶことができません。さらに、水素を液体として貯蔵する場合、温度の変化に応じて水素が排出されるため、かなりの損失が発生します」とボウ氏は説明します。 これにより、オンサイトでの H2 生成は、アンモニア プラント、メタノール プラント、石油精製所などの主要な水素消費者にとって、より魅力的な提案となります。

SMR が圧倒的に主流の技術ですが、電解装置は大きなターンダウン比にわたって効率的に動作でき、容易に拡張可能であるため、多くの化学処理現場では SMR 能力を増強し、プラントの柔軟性を高めるために電解装置に注目しています。 ボウ氏は、近くの SMR ユニットから H2 を購入していた大手化学メーカーの例を挙げていますが、その需要が SMR の能力を超えていることに気づきました。 「彼らは、別の SMR ユニットを購入することと、電解装置に移行するか、タンクローリーで液体 H2 を輸送することを検討しました。その結果、電解装置を直列に接続すると、より低コストで効率が向上することがわかりました」とボウ氏は言います。

Nel は、さまざまな H2 アプリケーションに対してさまざまなパイロット規模のテストを実施し、現場が灰色の H2 から緑色の H2 に移行するのを支援しました。 「すべてではないにしても、多くの大手アンモニア生産会社が、ある程度のレベルの電気分解試験を検討しています。私たちはミネソタ州で風力発電によるアンモニア発電プロジェクトを数年間実施しており、さらに多くのプロジェクトがパイプラインにあります。エチレンと糖アルコールの製造には大規模なアルカリ電解槽が多数あり、どちらもプロセスで大量の H2 を消費します」とボウ氏は言います。

Nel Hydrogen は、米国エネルギー省 (DOE、ワシントン DC、www.doe.gov) がエネルギー効率・再生可能エネルギー局 (EERE) Hydrogen を通じて資金提供する [email protected] イニシアチブに基づく資金提供先の 1 つです。および燃料電池技術室 (HFTO)。 7月には、米国の水素経済を発展させるという[email protected]の目標を支援する18のプロジェクトに6,400万ドルの資金が与えられた。 最新の資金調達ラウンドのうち約 1,500 万ドルが、特に電解槽の製造に焦点を当てたプロジェクトに送られました。 「電解装置の利点は、風力や太陽光などの断続的な再生可能電源に適していることです。電力を削減する代わりに、電解装置を使用して、エネルギー貯蔵やその他の付加価値のある最終用途向けに H2 を生成できます。化学薬品や鉄鋼の製造です」とHFTOディレクターのスニータ・サティヤパル氏は説明する。

電解槽に関しては、[email protected] の主な目標には、全体的なコストを削減しながら効率と耐久性を向上させることが含まれます。 電解槽技術が進歩するにつれて、サティヤパル氏は、より総合的で共同的な開発プロジェクトへの傾向を指摘しています。 「触媒や膜などの特定のコンポーネントに注目する代わりに、現在の研究の多くは、材料と製造プロセスの統合、およびそれらを統合して大規模に製造できるようにする方法を扱っています」と彼女は言います。 「私たちが資金を提供しているユニークな分野の一例は、品質管理方法です。理想的には、電解槽をギガワット規模に増強する場合、コンポーネントはバッチプロセスで製造されないため、より高いスループットを検討しています。ロールツーロールなどの連続プロセスや、耐久性に影響を与える可能性のある欠陥を見つけるための広い面積のコンポーネントの高速検査が可能です。」 その他の主な開発分野には、膜コーティング技術と膜製造の簡素化が含まれます。 多孔質輸送層を最適化する。 貴金属含有量を削減します。 さらに、[email protected] は米国で、この種としては初となる核を H2 に変換する 2 つのプロジェクトに取り組んでいます。

[email protected] は、市場で注目を集めているものの、大幅なコスト削減の可能性を秘めた PEM 電解装置など、複数の水素の製造、貯蔵、流通、利用のニーズに焦点を当てています。 サティヤパル氏は、給水の水質もこのプロジェクトの新たな研究分野であると語る。 「電気分解に高純度の水を必要とするのではなく、汚れた水や塩水を使用できるかどうかを調査する初期段階のプロジェクトがいくつかあります」と彼女は付け加えた。 「私たちは米国でも、電解装置で H2 を生成し、生物システムを使用して H2 と CO2 から再生可能なメタンを製造する、この種初のプロジェクトを進めています」とサティヤパル氏は言います。

天然ガスとの相乗効果は、特に H2 と天然ガスの混合に大きな関心を集めている分野であり、天然ガスのパイプラインに水素を注入する可能性があります。 しかし、H2 ブレンドの場合、使用する材料によっては材料の適合性が大きな懸念事項となる可能性があり、DOE の H-Mat コンソーシアムが取り組んでいるように、多くの研究活動には脆化に対する水素の影響や、金属とポリマーの両方に対する水素の影響が含まれています。

H2 混合における重要なマイルストーンは、Baker Hughes (ヒューストン、www.bakerhughes.com) と Snam (イタリア、サン・ドナート・ミラネーゼ、www.snam.it) が世界初の「ハイブリッド」水素タービンのテストを完了した 2020 年 7 月に起こりました。天然ガスと混合した H2 を Snam の現在の送電インフラに注入することを最終目標として、ガスネットワーク向けに設計されています。

図 3. これらのコンパクトな電解装置ユニットは、効率的なエネルギー貯蔵を目的として、風力タービンのヘッドなどの困難な場所に設置できるように設計されています。

図 3. これらのコンパクトな電解装置ユニットは、効率的なエネルギー貯蔵を目的として、風力タービンのヘッドなどの困難な場所に設置できるように設計されています。

Hoeller Electrolyzer GmbH (ドイツ、ヴィスマール、www.hoeller-electrolyzer.com) は、必要な貴金属の量を減らし、動作圧力を高める、コンパクトな PEM 電解槽用に最適化されたセル表面技術 (図 3) を開発しました。 Hoeller は、スタックを風力タービンのヘッドに直接組み込むなど、要求の厳しい設置を念頭に置いて PEM セル スタックを設計しています。 「PEM 電解の主な利点は、供給されるエネルギーに応じて H2 の生成がほぼ瞬時に変化することです。そのため、H2 の必要性が変化するプロセスには理想的な適合性があります」と Hoeller の最高財務責任者、Matthias Kramer 氏は述べています。 Hoeller 氏によると、同社のスタックは公称負荷の 0% から 100% までの負荷変化を数秒以内に処理できるという。 PEM は需要の変化に直面しても多用途である一方で、Kramer 氏は継続的に運用できる能力も強調しています。 さらに、スタックは 50 bar 以上に加圧できるため、直接保管がより便利になります。 ヘラー社の独自の PEM 技術は、フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所 (ISE、フライブルク・イム・ブライスガウ、ドイツ、www.ise.fraunhofer.de) での概念実証で実証され、同社がプロトタイプを導入する予定であるとクレイマー氏は述べています。ドイツのシュレースヴィッヒ・ホルシュタインの風力発電所での新しい PEM スタックのパイロットプロジェクトに関する議論も行われています。

図 5. 脱水の目的でモレキュラーシーブユニットを電解槽の下流に設置することができる

図 5. 脱水の目的でモレキュラーシーブユニットを電解槽の下流に設置することができる

H2 生成のための新しい技術の 1 つは、陰イオン交換膜 (AEM) 電気分解です (図 4)。 AEM は、PEM と従来の隔膜ベースのアルカリ電解の利点を組み合わせたハイブリッド ソリューションのようなものであると、エボニック インダストリーズ AG (ドイツ、エッセン、www.evonik.com) で膜研究を専門とするオリバー コンラディ氏は説明します。 「アルカリ電解には明らかに非常に塩基性の条件が含まれますが、PEM には酸性環境が含まれます。それぞれの pH 値には特定の材料が必要です。アルカリ性条件では、ステンレス鋼やニッケルなどの安価な材料を使用できますが、PEM ではプラチナやニッケルを使用する必要があります。」触媒には他の貴金属が使用され、電気化学セルはチタンをベースにしなければならないため、PEM への投資コストははるかに高くなります」とコンラディ氏は説明します。 ただし、PEM システムは、従来のアルカリ電解の基本的な制限の一部を克服しています。アルカリ システムの特殊なセル設計により、電流密度と効率が制限され、アルカリ システムを加圧するのがより困難です。つまり、追加の圧縮ステップが必要になります。通常は必須です。 「PEM ユニットでは、緻密な膜によりシステム全体の加圧が容易になります。AEM を使用すると、両方の最先端テクノロジーの利点を根本的に組み合わせながら、欠点を補うことができます」と Conradi 氏は述べ、次のように述べています。効果的な AEM システムを開発する際の主なハードルは、アルカリ条件に耐えられる適切な高分子膜材料を開発することです。

特に焦点を当てているのは、水酸化物イオンをカソードからアノードに輸送する役割を担うカチオン部分です。 アルカリ環境での安定性に加えて、ポリマーは加圧電解槽条件下で高いイオン伝導性と安定性も提供する必要があります。 エボニックは、ガス分離のための既存の膜技術にインスピレーションを得て、独自のイオン伝導性カチオン部分を特徴とする新しいポリマー化学を開発しました。 AEMに焦点を当てたチャネルコンソーシアムの一環として、エボニックはポリマーの生産を拡大し、パイロットコーティングラインでの膜製造もスケールアップしています。 「コンソーシアムは、膜やその他のコンポーネントが困難な条件下で機能することを実証するために、AEM 電解装置を構築しています」と Conradi 氏は説明します。 グループ初の AEM デモンストレーター ユニットは実験室規模であり、現実世界の条件を反映するテスト プロトコルが実行されています。 「次のマイルストーンは、システムの信頼性を証明し、スタックサイズを拡大すると同時に、膜処理も拡大することです」と彼は続けます。

電解槽は効率とコストにおいて進歩しましたが、生成された H2 は依然として圧縮、脱水、精製などの後処理ステップを必要とすることがよくあります。 「電解スタックは通常、使用に直接適した水素を生成しません。生成された水素を貯蔵、配布、または利用したい場合は、汚染物質を除去する必要があります」と、フレームズ グループ（アルフェン アアン）の水素ポートフォリオ マネージャー、ジョルディ ゾンネフェルト氏は述べています。デン・レイン、オランダ; www.frames-group.com)。 「PEM 技術では超純水のみを使用するため、汚染物質は水と、潜在的には微量の酸素だけです。アルカリ電解ではプロセス流体として KOH 溶液が使用されるため、生成された水素に含まれる微量の KOH を除去する必要があります。」 、 同じように。"

ガス流量と純度の要件に応じて、最終用途向けに H2 を準備するために必要な手順がいくつかあります。 たとえば、ゾンネフェルト氏によると、水素純度を 99.9% まで高めるための最初のステップとして、内部の曇りを除去するノックアウト ドラムとオプションのガス冷却装置が一般に使用されます。 さらに、より高い純度が必要な場合は、モレキュラーシーブユニット (図 5) が必要になる場合があります。 彼はまた、トリエチレングリコールを使用した脱水（天然ガス処理の一般的な技術）は H2 精製の可能性を示しているが、大規模な H2 応用はまだ行われていないとも述べています。

H2 の圧縮には特有の課題も伴います。 「H2 は質量あたりのエネルギー密度が非常に高いですが、密度が非常に低いため、効率的な貯蔵と輸送のために H2 を圧縮するために電解槽の下流にコンプレッサーが必要です」とノイマン & エッサー グループ (NEA、ユーバッハ) のマネージング パートナーであるステファニー ピーターズ氏は述べています。 -パレンベルク、ドイツ; www.neuman-esser.de)。 H2 の分子量が低いことも問題を引き起こします。 「ターボ機械は、圧縮室内で H2 を捕捉する際に重大な問題に直面しています。必要な H2 排出圧力まで効率的に圧縮するには、ピストンやダイヤフラム コンプレッサーのような容積式機械だけが適しています。」と Peters 氏は付け加えます。 たとえば、空運転ピストン コンプレッサーは、最大 300 bar の吐出圧力を達成できます。 潤滑シリンダーを装備した場合、吐出圧力は 700 bar に達する可能性がありますが、このオプションでは微量のオイル汚染が発生するため、汚染が許容されない場合には、オイルフリー ダイヤフラム コンプレッサーが好ましい高圧オプションです。 5,000 bar 以上の吐出圧力を達成できます。

電解槽とグリーン H2 の需要が拡大し続ける中、電解槽自体だけでなく後処理における技術的改善も、引き続き研究開発作業の重要な分野となります。

国際エネルギー機関 (IEA、フランス、パリ、www.iea) が開始した詳細な研究によれば、世界は水素の膨大な可能性を活用して、より持続可能で安全なエネルギーの未来の重要な部分となる重要な機会を持っています。」 .org）、2019年6月15～16日に日本の軽井沢で開催されたG20エネルギー・環境大臣会合の機会に。

「クリーン水素は現在、世界中の政府や企業から強力な支援を受けており、政策やプロジェクトの数は急速に拡大している」と研究書は述べている。 「水素の未来：今日の機会をつかむ」と題されたこの研究は、IEAのファティ・ビロル事務局長と日本の世耕弘成経済産業大臣が立ち上げたもので、水素は化学製造や鉄を含むさまざまな分野を脱炭素化する方法を提供すると述べている。鉄鋼の生産に利用され、自動車、トラック、電車、船舶、航空機の燃料に変換できます。

「世界は、水素をクリーンで安全なエネルギーの未来の重要な部分にするこのユニークなチャンスを逃すべきではありません」とビロル氏は言う。

しかし、H2 燃料電池はリチウムイオン電池 (LIB) などの電池に比べてコストが高く効率が低く、技術的な課題を克服するには時間がかかりすぎるため、決して普及しないと考える人もいます。含まれる問題。 それにもかかわらず、水素ベースの経済の技術と経済性を改善するための努力が続けられています。

自動車、バス、電車などの燃料システムとして、水素は車内のタンクに貯蔵されます。 H2 は燃料電池に供給され、車両を動かす電気モーター用の電気が生成されます。 化石燃料とは異なり、水素の燃焼では CO2 やその他の汚染物質が生成されず、水蒸気のみが生成されます。 自動車用の燃料システムに関する限り、H2 燃料電池の主な候補は LIB です。 現在、ほとんどの電気自動車はバッテリーを使用しており、多くの場合、リチウムイオンまたは鉛酸の化学に基づいています。 個々の燃料電池は低電流と低電圧を生成するため、LIB と同様に、車両が必要とする目標電圧と最大電流に達するにはセルを積層する必要があります。 燃料電池で使用される H2 の利点の 1 つは、エネルギー重量比 (比エネルギー) が LIB よりもはるかに大きいことです。 LIBの比エネルギーは0.36～0.875MJ/kg、水素の比エネルギーは120～142MJ/kgです。 したがって、燃料電池内の H2 は、軽量で占有体積を小さくしながら、はるかに長い航続距離を可能にします。 H2 燃料電池のもう 1 つの大きな利点は、数分で再充電できることです。 対照的に、LIB 電気自動車のフル充電時間は通常、時間単位で測定されます。 ただし、H2 には重大な欠点もあります。 その 1 つは、他の元素とよく結合するため、燃料として使用する前に、高価でエネルギーを消費するプロセスを介して分離する必要があることです。 また、H2 を高圧で気体として保管する場合、または極低温で液体として保管する場合はさらに高価であり、エネルギーを大量に消費します。 H2 は可燃性も高いため、製造、保管、輸送が難しく、危険であり、費用がかかります。 H2 燃料電池によってもたらされる問題にもかかわらず、また一部の専門家による否定的な予測にもかかわらず、世界中で多数のプロジェクトが進行中であり、多額の研究開発費が H2 燃料電池に投資されています。 自動車、バス、電車など、すでに多くの車両が水素燃料電池で動作していますが、まだ広く市場に受け入れられていません。 IEA によると、現在、世界中で約 11,200 台の H2 を搭載した自動車が走行しています。 一部の市場で市販されている最も古い水素自動車は、トヨタ ミライ、ヒュンダイ ネクソ、ホンダ クラリティです。 2013 年にヒュンダイ ツーソンの燃料電池電気自動車 (FCEV) は、世界初の量産型 H2 FCEV として商業化されました。 射程距離は約600kmでした。 ヒュンダイ ネクソ (図 1) は 2018 年にこれを後継しました。トヨタは 2014 年末にミライを発売しました。航続距離は約 500 km、H2 タンクの補充には約 5 分かかります。 多くの自動車会社は限られた数のデモモデルを導入していますが、その多くはバッテリー式電気自動車に切り替えています。 昨年末、H2 燃料電池を搭載した世界初の旅客列車がドイツで運行を開始しました (図 2)。 Coradia iLint と呼ばれるこれは、Alstom (フランス、パリ、www.alstom.com) によって開発されました。 列車の最高速度は時速140kmです。

図 1. 最新の水素燃料自動車の 1 つは、ヒュンダイの Nexo です

図 1. 最新の水素燃料自動車の 1 つは、ヒュンダイの Nexo です

図2. 世界初の水素燃料旅客列車が昨年9月にドイツのニーダーザクセン州で運行を開始

図2. 世界初の水素燃料旅客列車が昨年9月にドイツのニーダーザクセン州で運行を開始

図 3. 塩素アルカリ分野で確立された技術に基づいたこの水電気分解システムは、最大 10 MW まで拡張可能

図 3. 塩素アルカリ分野で確立された技術に基づいたこの水電気分解システムは、最大 10 MW まで拡張可能

現在、世界の H2 のほぼすべては、CO2 が適切に回収および貯蔵されない限り、CO2 を排出するプロセスの化石原料から供給されています。 クリーンな H2 の生成は、太陽光や風力などの再生可能エネルギーから得られる電力を使用した水の電気分解によって実現されます。 しかし現在、水の分解によって生成されるのは世界の H2 の約 5% だけです。 燃料電池内のプロセスは、基本的に、水から H2 を生成する電解プロセスの逆です。

最近、ティッセンクルップ AG (ドイツ、エッセン、www.thyssenkrupp.com、図 3) とシーメンス AG (ドイツ、エアランゲン、www.siemens.com) は、H2 の生成を脱炭素化するために新しい大規模電解槽を開発しました。 .Eng.、2019 年 1 月、14 ～ 17 ページ）。

シーメンスの電解装置は当初、数キロワットの再生可能エネルギーをクリーンな H2 に変換する能力があり、同社は現在、より大規模な装置を構築しています。 シーメンスは間もなく、南オーストラリア州のトンズリー・イノベーション地区に1.25MWのユニットを納入する予定です。 また、最大 10 MW まで拡張可能なユニットも提供しており、さらに桁違いに拡張する計画もあります。

世界最大の太陽光発電グリーン水素プラントは、ヤラ・ピルバラ氏によって西オーストラリア州のバラップ半島で計画されており、燃料補給および燃料電池マイクログリッド実証プロジェクトはボストン地域で同社によって運営される予定である。 最近では、同社は世界初のオールインワン H2 給油装置であると主張するものを開発しました。

昨年10月、日本のコンソーシアムが福島水素エネルギー研究フィールドの建設を開始した（FH2R; Chem. Eng.、2018年10月、p. 10）。 FH2R は、(再生可能エネルギーを使用して) 年間最大 900 トンの H2 を生産し、貯蔵します。 新しい制御システムを使用して、H2 エネルギーシステム、電力網制御システム、および H2 需要予測システムの全体的な動作を調整し、H2 生成、H2 ベースの発電および H2 ガス供給を最適化します。

このシステムは、H2 を使用して系統負荷を相殺し、H2 を東北およびその他の地域に配送し、系統バランスのソリューションおよび H2 ガス供給としての H2 の利点を実証しようとします。 圧縮されたH2はトレーラーで輸送され、ユーザーに供給されます。

米国エネルギー省 (DOE; ワシントン DC; www.energy.gov) の水素および燃料電池プログラムは、H2 の生成、供給、貯蔵および燃料電池の研究開発を行っています。 その技術目標は、バイオマス由来の液体改質、電気分解、バイオマスガス化、熱化学的水分解、光電気化学的水分解、光生物学的プロセス、および微生物バイオマス変換である。 一方、日本の宮城県仙台市の浄水場では、再生可能エネルギーシステムに水素を組み込む研究が行われている。 福岡市は、下水汚泥から抽出したバイオガスを用いてH2を製造するプロジェクトに取り組んでいる。 生成されたH2は燃料電池自動車に使用されます。

「全国の下水処理場には、最大 186 万台の燃料電池自動車に水素を供給できる可能性があります」と、鳥取大学 (日本、鳥取市、www.tottori-u.ac.jp) 環境エネルギー教授の田島正樹氏は言う。 ）。

また、日本では、東芝株式会社 (東京、www.toshiba.com) が、水素の利用率を高める 100 kW H2 Rex 純水素カスケード型燃料電池を開発しました。 この燃料電池は、他のタイプの燃料電池の動作温度に比べてはるかに低い80℃で発電できるため、加熱プロセスが不要です。

バース大学（英国、www.bath.ac.uk）の持続可能な化学技術センターの研究者は、太陽光を利用して水を分解する改良された方法を開発しました。 彼らはペロブスカイト太陽電池を使用しました。 これらのセルは水中で不安定であり、クリーンな H2 燃料を直接生成するための使用が制限されるため、研究者らはグラファイトによる防水コーティングを使用しました。 ペロブスカイト太陽電池はシリコン電池よりも高い電圧を生成しますが、その電圧は水を分解するにはまだ十分ではありません。 この問題を解決するために、研究者らは触媒を追加しました。

電気分解による H2 生成を促進する別の方法が、ホセ・ラモン・ガロン・マスカロス率いるカタルーニャ化学研究所 (スペイン、タラゴナ; www.iciq.org) のチームによって最近発見されました。 研究者らは、永久磁石をアノードに近づけるだけで、低電圧での H2 生成を達成し、即時のエネルギー節約につながります。 研究チームは、ニッケルや鉄など地球上に豊富に存在する金属をベースにした触媒も使用した。 研究チームは、電解槽を使用した H2 生成効率を 100% 高めることができると主張しています。 工業環境では、チームは 30 ～ 40% の効率向上が期待できます (Chem. Eng.、2019 年 7 月、p. 12)。

Prabeer Barpanda 教授率いるインド科学研究所 (インド、ベンガルール、www.iisc.ac.in) の研究者らは、水の分解を加速して H2 を生成する低コストの触媒を開発しました。

このプロセスに関与する 2 つの主要な反応のうちの 1 つである酸素発生反応は遅いため、プロセス全体の効率が制限されます。 通常使用される最も効率的な触媒は、Pt や Ru などの高価な金属でできています。 インドの研究者らは、酸化コバルトとナトリウムのリン酸塩（メタリン酸塩）を組み合わせた触媒を開発した。 研究者らは、この触媒は現在の最先端のRuO2触媒よりも200分の1以上安価で、反応速度も速いと主張している。

触媒を作るために、研究者らはメタリン酸ナトリウムと酸化コバルトをアルゴン雰囲気中で焙煎した。 これにより、部分的に燃焼した炭素のシートが作成され、その上にメタリン酸ナトリウムで囲まれた酸化コバルトの結晶が広がります。 メタリン酸塩は、酸化コバルトを無傷に保持するための強力な骨格を形成し、高い安定性を示します。 この処理により、触媒は複数のサイクルにわたってその活性を維持することができます。

ドン・シーゲル教授率いるミシガン大学 (アナーバー; www.umich.edu) のチームは、これまでよりも多くの H2 を有機金属構造体 (MOF) に詰め込み、エネルギー密度を増加させる方法を特定しました。燃料電池車の予想航続距離。

チームは MOF に関するデータベースを作成し、コンピューター シミュレーションを使用して 500,000 近くの MOF を選別して、H2 の貯蔵に最適なものを選び出しました。 H2 ストレージのこれまでの記録を超える 3 つの MOF が特定されました。 シーゲル氏は、MOF 吸着剤に貯蔵できる H2 の量を増やすことで、貯蔵に必要な圧力を下げることができ、タンクのサイズも小さくできると述べています。

H2 を貯蔵および輸送する別の方法として、千代田化工建設 (日本、横浜、www.chiyodacorp.com) は、JXTG エネルギー株式会社、東京大学、クイーンズランド工科大学と協力して SPERA 水素を開発しました。システム。 このシステムは常温常圧で液体状態に保たれるため、既存のタンクでの長期保管や既存のタンカーでの輸送が可能です。 この系はメチルシクロヘキサン（MCH）と呼ばれる液体です。 トルエンと水素を触媒反応させる有機ケミカルハイドライド（OCH）法を用いて製造されます。 MCH の体積は、ガス状 H2 の体積のほんの一部です。 MCHを用いたOCH法は古くから知られているが、脱水素反応においてMCHからH2を生成するための市販触媒は開発されていない。 千代田は、実験室規模で10,000時間以上安定した高性能を発揮し続ける脱水素触媒を開発しました。 さらに別のアプローチとして、イアン・メトカーフ教授率いるニューカッスル大学（ニューカッスル・アポン・タイン、英国、www.ncl.ac.uk）のチームは、次のようなことが可能な初の熱力学的可逆化学反応器を開発したと主張している。純粋な生成物ストリームとして H2 を生成します。

反応器は、固体酸素貯蔵器を介して反応物ストリーム間で酸素を移動させることにより、反応物ガスの混合を回避します。 リザーバーは、反応ガス流が反応軌道をたどる際に、反応ガス流と平衡に近い状態を保つように設計されており、そのため、リザーバーがさらされた条件の「化学的記憶」を保持します。 したがって、H2 は純粋な生成物ストリームとして生成され、コストのかかる最終生成物の分離の必要がなくなります。 「従来の H2 生成には 2 つの反応器と分離が必要ですが、当社の反応器はすべてのステップを 1 つのユニットで実行します」とメトカーフ氏は言います。

浦項工科大学 (韓国、浦項; www.postech. ac.kr) およびコロラド鉱山学校 (コロラド州ゴールデン; www.mines.edu) の研究者、浦項の Kun-Hong Lee 氏と Bo Ram 氏が率いるLee博士は、ガスハイドレートと呼ばれる水分子によって形成される構造内の水素貯蔵能力を向上させるための新しい概念を導入しました。 ガスハイドレートは、ガスを含む氷状の固体化合物です。 水素をガスハイドレートに貯蔵する際の主な問題は、必要なエネルギーの低下です。 研究者らは、ガスハイドレートの準安定性を研究しました。準安定性は、少量のエネルギーの追加によって変化する可能性のある安定状態によって決まります。 彼らは、非常に穏やかな圧力（0.5～1MPa）で水素ハイドレートを安定に保つことに成功し、ハイドレート中のH2貯蔵量の増加（最大52％増量）を実証しました。

「適切なプロセスが、ハイドレートの自己保存の利点と併せて、高濃度のガスを含むこの準安定状態に系を閉じ込めるように設計されれば、クラスレートハイドレートにおけるガス貯蔵のための新しいパラダイムが生まれるでしょう」とクンホン氏は言う。リーさん。 一方、CSIRO (オーストラリア、メルボルン; www.csiro.au) は、「再生可能エネルギー輸送媒体としてのアンモニアの往復効率」に関する研究を実施しました。 この研究によれば、NH3 は再生可能エネルギーを H2 に変換し、再生可能エネルギー強度の低い場所に輸送し、地元消費のために NH3 を H2 に戻すための優れた提案です。 研究によれば、電気エネルギー貯蔵の往復効率は80%を超える可能性があるという。